Анализ по постоянному току в режиме dc Analysis

Расчет передаточных характеристик. Схема измерения статических входных и выходных характеристик биполярных транзисторов приведена на рис. 2. Для снятия выходных характеристик биполярного транзистора (см. рис. 2, а) к его базе подключается источник постоянного тока I1 (компонент ISOURCE), к коллектору — источник постоянного напряжения V1 (компонент BATTERY). При снятии входных характеристик (см. рис. 2, б) источник тока в базовой цепи транзистора заменяется на источник напряжения (компонент BATTERY).

а) б)

Рис. 2 Схемы для снятия характеристик биполярного транзистора: а) — выходных; б) — входных.

Переход в режим расчета передаточных характеристик по постоянному току осуществляется командой Analysis/DC (<Alt>+<3>). В открывающемся следом окне DC Analysis Limits на строках Variable 1, Variable 2 указываются имена варьируемых источников, диапазоны их изменений — на строках Range.

Для построения выходных характеристик по оси X откладывается напряжение коллектор-эмиттер транзистора Vce(Q1), по оси Y — ток коллектора Ic(Q1). Для построения входных характеристик по оси X — напряжение база-эмиттер Vbe(Q1), по оси Y — ток базы Ib(Q1).

1. Построить с помощью схемного редактора MICROCAP схему для снятия выходных ВАХ биполярного транзистора. Определить с помощью текстовых директив .define значение максимальной мощности, рассеиваемой транзистором P_CMAX и максимальное значение коллекторного тока I_CMAX (рис. 3).

Рис. 3. Схема для снятия выходных характеристик биполярного транзистора

2. Запустить анализ по постоянному току DC. Установить пределы изменения первой переменной (напряжения коллектор-эмиттер) в соответствии с напряжением питания коллекторной цепи каскада E_C, второй переменной (тока базы) — в пределах до , где BF — параметр модели биполярного транзистора, коэффициент передачи тока базы в нормальном активном режиме. Установить масштабы по оси абсцисс X range — 1.1E_C, 0; по оси ординат Y range — I_CMAХ, 0.

3. Построить семейство выходных ВАХ биполярного транзистора, нажав кнопку RUN. Если окажется, что самая высокая характеристика семейства много меньше I_CMAX, то необходимо увеличить верхний предел изменения тока базы и перезапустить анализ.

4. Построить на одном графике с семейством выходных характеристик транзистора прямую линию ограничения тока покоя транзистора на уровне 0.8I_CMAX и кривую ограничения тока коллектора по максимальной мощности, рассеиваемой транзистором . Для этого надо вызвать диалоговое окно DC analysis limits, нажав клавишу <F9>; добавить командой Add два графика в существующее графическое окно, и внести в их поля Y expressions вышеуказанные формулы. Запустить анализ, нажав кнопку RUN.

5. Построить на графиках ограничительную линию нагрузки, соответствующую максимально возможному суммарному сопротивлению . Одна точка этой линии находится на оси напряжений V_CE и определяется заданным напряжением питания каскада E_C — точка С. Вторая точка находится на оси токов I_C — точка D. Длина отрезка [0, D] равна . Суммарное сопротивление в цепи эмиттера и коллектора однокаскадного усилителя R_=R_E+R_C должно удовлетворять неравенству , т. е. линия нагрузки каскада на постоянном токе должна лежать выше ограничительной нагрузочной прямой. В усилительном каскаде с резистором в коллекторной цепи R_C, удовлетворяющим приведенному неравенству, при подключении нагрузки не будет уменьшаться амплитуда переменной составляющей выходного напряжения из-за её деления резистивным делителем R_C–R_LOAD. Таким образом, только при выполнении данного ограничения мы можем рассчитывать на получение максимальной амплитуды выходного сигнала, требуемой заданием. Для рисования ограничительной линии нагрузки на постоянном токе следует воспользоваться командами рисования графических объектов, открываемыми нажатием на пиктограмму . После перечисленных построений графическое окно с семейством характеристик и ограничительными линиями должно иметь вид, близкий к представленному на рис. 4.

Рис. 4. К графоаналитическому синтезу усилительных каскадов на биполярных транзисторах

6. Используя команды рисования графических объектов , построить линию нагрузки на постоянном токе усилительного каскада таким образом, чтобы она не зашла в запрещенные области (показанные на рис. 4. штриховкой). Примерное положение линии нагрузки на постоянном токе (ЛН=) представлено на рис. 4. отрезком прямой FC. Подписать кривые в семействе выходных характеристик транзистора, выполнив команду Scope/Label Branches. Выйти из режима анализа, нажав <F3>, а затем с помощью команды меню File сохранить схему на диске под именем BJT_OUT.CIR.

7. Определить суммарное сопротивление R_=R_C+R_E, используя ординату точки пересечения линии нагрузки на постоянном токе с осью тока I_C:

.

8. Рассчитать требуемое отношение сопротивлений в коллекторной и эмиттерной цепях , исходя из заданного температурного диапазона T, заданного максимального дрейфа напряжения коллектор-эмиттер в точке покоя в диапазоне температур V_CE0(T) и известного температурного коэффициента напряжения база-эмиттер :

.

9. Рассчитать требуемые сопротивления в цепи эмиттера R_E и коллектора R_C:

; .

Учитывая то, что резистор R_E заземляется по переменной составляющей, и то, что к коллектору транзистора подключается сопротивление нагрузки, линия нагрузки по переменному току ЛН~ будет иметь более крутой наклон, чем линия нагрузки по постоянному току ЛН= (см. рис 4). Для обеспечения максимального размаха напряжения на нагрузке при заданном напряжении питания необходимо так выбрать точку покоя каскада — точку А (см. рис. 4), чтобы отрезки линии нагрузки на переменном токе [B~,A] и [A, C~] были бы приблизительно равны. Как показывает анализ, напряжение коллектор-эмиттер V_CEA в точке покоя в этом случае должно определяться соотношением:

, (1)

где V_CES — напряжение коллектор-эмиттер транзистора в режиме насыщения при максимальном токе нагрузки, определяемое приближенно по семейству выходных характеристик.

10. Рассчитать по формулам (1) и (2) напряжение коллектор-эмиттер каскада в точке покоя V_CEA и ток коллектора в точке покоя I_CA. Поскольку точка покоя (т. А) находится на линии нагрузки по постоянному току, то коллекторный ток покоя определится по формуле:

. (2)

11. Определить приближенно ток базы покоя усилительного каскада. Приближенно он может быть определен по семейству выходных характеристик и известному значению напряжения коллектор-эмиттер в точке покоя V_CEA. Для этого из точки на оси абсцисс с координатами (V_CEA, 0) строится перпендикуляр до пересечения с линией нагрузки по постоянному току — т. А. Для приближенного расчета тока базы покоя I_BA, используются близлежащие кривые семейства выходных характеристик транзистора. На рис. 4. — это характеристики, построенные при токах базы I_B6 и I_B7. Очевидно, что грубо приближенно ток базы покоя I_BA может быть определен как (см. рис. 4).

12. С помощью схемного редактора построить схему для снятия входных I_B(V_BE) и передаточных I_C(V_BE) характеристик транзистора (рис. 5). Величину батареи VC задать равной найденному напряжению коллектор-эмиттер в точке покоя V_CEA. Запустить анализ по постоянному току Analysis/DC (<Alt>+<3>). Задать только изменение источника напряжения в цепи базы VB (Variable 1) от 0 до 0.70.75 В c линейным шагом, не превосходящим 1E-4 B. В позиции Variable 2 из открывающегося списка выбрать NONE. Задать построение двух графиков. Для обоих графиков в графе X expression набрать Vbe(Q1). В графе Y expression для одного графика указать Ib(Q1) — для построения входной характеристики Ib(Vbe). Для другого графика в графе Y expression указать Ic(Q1) — для построения передаточной характеристики Ic(Vbe). Включить флажок Auto Scale Ranges. Запустить анализ, нажав кнопку RUN. При необходимости изменить масштабы вывода графиков для того, чтобы они занимали все графическое окно. Для этого в окне DC Analysis Limits (<F9> или ), выключить флажок Auto Scale Ranges, установить необходимые масштабы и перезапустить анализ.

Рис. 5. Схема для снятия входных и передаточных характеристик транзистора

13. Перейти в режим Cursor Mode (<F8> или ). Проверить установку связанных курсоров Align Cursors, зайдя в меню Scope. Проверить включение индикации координат электронного курсора, зайдя в подменю Scope/Trackers/Cursor. В указанных пунктах меню должна стоять «галочка». При необходимости произвести установку. Теперь электронные курсоры для двух графиков будут связаны между собой и их координаты отобразятся на экране. Установить на графике передаточной характеристики Ic(Vbe) левый электронный курсор в точку с ординатой, равной току коллектора покоя каскада I_CA. Перемещение левого курсора грубо осуществляется протяжкой левой клавиши мыши, точно — клавишами перемещения курсора <> <> на дополнительной клавиатуре. Считать с экрана значение напряжения база-эмиттер в точке покоя V_BEA — это абсцисса электронного курсора, точное значение тока базы в точке покоя I_BA — это ордината электронного курсора на входной характеристике. Сравнить значение тока базы покоя с приближенным значением, определенным в пункте 11. На данном этапе все искомые параметры точки покоя усилительного каскада V_CEA, I_CA, I_BA, V_BEA известны. Вернуться из режима анализа в схемный редактор, нажав <F3>. Сохранить схему на диске под именем BJT_IN.CIR.

14. Загрузить с диска схему для снятия выходных характеристик BJT_OUT.CIR. Установить величину батареи в цепи коллектора VC равной найденной величине напряжения коллектор-эмиттер в точке покоя V_CEA. Установить величину источника тока в цепи базы IB равной найденному току базы в точке покоя I_BA. Теперь режим транзистора в точности соответствует точке покоя каскада. Запустить анализ малосигнальных передаточных характеристик на постоянном токе Transfer Function, выполнив команду Analysis/Transfer Function (<Alt>+<F5>). Набрать в графе Output Expression — VBE(Q1), в графе Input Source Name — выбрать из открывающегося списка источник IB. Нажать на кнопку Calculate. В графах Transfer Function (а также Input Impedance) выведется значение дифференциального входного сопротивления в точке покоя транзистора со стороны базы r_B DIFF. Зафиксировать в отчете полученный результат.

Набрать в графе Output Expression — IC(Q1), в графе Input Source Name — выбрать из открывающегося списка источник VC. Нажать на кнопку Calculate. В графe Input Impedance выведется значение дифференциального сопротивления со стороны коллектора в точке покоя транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером r_С DIFF. В графе Transfer Function выведется дифференциальная проводимость — . Зафиксировать в отчете полученный результат.

15. Рассчитать дифференциальный коэффициент передачи тока базы  в коллекторную цепь в точке покоя двумя способами — 1) используя режим анализа по постоянному току TRANSFER FUNCTION; 2) используя анализ чувствительности SENSITIVITY. Сравнить результаты между собой и сравнить их с параметром модели BF. Зафиксировать полученные результаты.

16. Включить режим Dynamic DC, выполнив команду меню Analysis/Dynamic DC (<Alt>+<F4>). Включить показ токов, протекающих в схеме, нажав на кнопку . Измерить ток эмиттера транзистора в точке покоя I_EA. Рассчитать потенциал базы усилительного каскада V_BA в точке покоя по формуле:

.

Выбрать ток делителя базовой цепи усилительного каскада I_DIV в диапазоне I_DIV=(510)I_BA.

Рассчитать сопротивление нижнего плеча делителя R2 (см. рис. 1) по формуле:

.

Рассчитать сопротивление верхнего плеча делителя R1 (см. рис. 1) по формуле:

.